TWI745272B - 免疫細胞追蹤方法 - Google Patents
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Abstract
一種追蹤免疫細胞以檢測免疫反應的方法。該方法包括下列步驟:鑑別一具有一與一器官相關之疾病的病患;投予生物相容性磁性奈米粒子至該病患的血流;以及取得一該器官的磁振影像。在該磁振影像中高信號區或低信號區的存在表示在該病患中的免疫反應。
Description
本發明係有關於免疫細胞追蹤方法。
免疫細胞追蹤涉及監測免疫細胞的移動及聚集,可有效地檢測諸如免疫排斥之類的免疫反應,其係在一個已接受器官移植之病患中功能性衰竭的主要原因。
免疫反應通常是藉由定期地分析切片樣本(例如一心肌內膜的切片樣本)作監測,以檢測在一與一疾病相關之器官中免疫細胞(例如T-細胞及巨噬細胞)的存在。
此監測方法具有多個缺點。首先,由於其是一種侵入性程序,其傾向造成不利的副作用。再者,其易有產生假陰性結果之取樣誤差。又,其經常無法檢測早期急性排斥或者慢性排斥。最後,其係一昂貴的程序。
免疫細胞追蹤亦可藉由對病患投予經磁性奈米粒子預標記之免疫細胞而達成。此方法需要一體外預標記免疫細胞的冗長步驟。
需要研發一種簡單及非侵入性方法,其對於追蹤用以檢測疾病的早期跡象之免疫細胞是敏感的。
本案在此揭露一種簡單且非侵入性之方法,其係使用磁振造影(MRI)掃描來追蹤具有生物相容性磁性奈米粒子之免疫細胞。該方法提供無法預期的高敏感度。
該方法包括下列步驟:(i)鑑別一具有與一器官(例如心臟、腎臟或淋巴結)相關之疾病的病患;(ii)提供一水性懸浮液,其不具有尺寸大於1000nm的粒子且包含生物相容性磁性奈米粒子;(iii)投予該水性懸浮液至該病患的血流;以及(iv)接續地取得一該器官的磁振影像。當該影像顯示高信號區或低信號區的存在(例如T2、T2*或擴散加權MRI顯示低信號區,或T1加權MRI顯示高信號區),則檢測到免疫反應。舉例來說,該疾病係癌症(例如淋巴瘤)或一經移植之器官(例如心臟或腎臟)的排斥。
在一實施態樣中,該方法被使用於檢測免疫排斥,其中步驟(i)係鑑別一具有一經移植之器官的病患,以及步驟(iv)係取得一該經移植之器官的T2-加權磁振影像。當該影像顯示低信號區的存在時,則檢測到有免疫排斥。
在此描述之方法使用一包含生物相容性磁性奈米粒子之對比劑以利用MRI技術來檢測免疫反應。
該等生物相容性磁性奈米粒子各自包含一超順磁核心,該超順磁核心被一或多個生物相容性聚合物覆蓋,該等生物相容性聚合物各自具有一聚乙二醇基團、一矽烷基團以及一經由共價鍵連接該聚乙二醇基團及該矽烷
基團的連接基(linker)。典型地,此等生物相容性磁性奈米粒子各自具有10-1000nm的顆粒大小以及50-400的橫向磁性弛豫速率(transverse magnetic relaxivity rate)。在一例子中,它們各自具有15-200nm的顆粒大小以及120-400的橫向磁性弛豫速率。
一般來說,該超順磁核心包含一氧化鐵、一氧化鈷,一氧化鎳或其一組合。
在各個覆蓋該等超順磁核心之該等生物相容性聚合物中,該聚乙二醇基團通常具有5-1000的氧伸乙基單元(例如10-200的氧伸乙基單元),且該矽烷基團通常具有一C1-10伸烷基(例如C3-C10伸烷基)。
下文將闡述一或多個實施態樣的細節。該等實施態樣的其它特徵、目的及優點將從該說明及申請專利範圍變得顯而易見。
為了說明,在下列的詳細說明中將闡述許多具體的細節以提供經揭示的實施態樣詳盡的了解。然而,顯而易見的是,某些實施態樣在沒有這些具體細節是可被實施。
本發明之方法用於使用生物相容性磁性奈米粒子追蹤免疫細胞,該等生物相容性磁性奈米粒子各自包含一被一或多個生物相容性聚合物覆蓋的超順磁核心。
該等生物相容性聚合物係生物可降解的且對細胞係無毒的。包含矽烷之生物相容性聚合物,其如下所示可被輕易地官能化,係適合用於生物相容性磁性奈米粒子的製備如本方法所要求。
在通式(I)中,R係H、C1-C6烷基、C2-C6烯基、C2-C6炔基、C3-C10環烷基、C1-C10雜環烷基、芳基、雜芳基、一C1-C10羰基,或者一C1-C10胺基;L係一連接基;m係1至10;以及n係5至1000。
一連接基可以係O、S、Si、C1-C6伸烷基、一包含2個羰基以及2-20碳原子的羰基部分,或一具有下列通式之一者的基團:
以及。在這些通式中,m、n、p、q及t的各個獨立地為1-6;W係O、S或NRb;L1、L3、L5、L7及L9的各個獨立地為一鍵、O、S或NRc;L2、L4、L6、L8及L10的各個獨立地為一鍵、O、S或NRd;以及V係ORe、SRf或NRgRh,其中Ra、Rb、Rc、Rd、Re、Rf、Rg及Rh的各個獨立
地為H、OH、一C1-C10氧脂族基、一C1-C10單價脂族基、一C1-C10單價雜脂族基、一單價芳基,或者一單價雜芳基。
在通式(II)中,R1係H、C1-C6烷基、C2-C6烯基、C2-C6炔基、C3-C10環烷基、C1-C10雜環烷基、芳基、雜芳基、一C1-C10羰基,或者一C1-C10胺基;R2係H、C1-C6烷基、C2-C6烯基、C2-C6炔基、C3-C10環烷基、C1-C10雜環烷基、芳基,或雜芳基;m係1至10(例如3-10);及n係5至1000(10-200)。在一較佳的實施態樣中,R2係H,且在通式(II)中的連接基係。
術語“脂族”在此指的是一飽和的或不飽和的、直鏈的或支鏈的、非環的、環的或多環的碳氫化合物部分。例子包括但不限於烷基、伸烷基、烯基、伸烯基、炔基、伸炔基、環烷基、伸環烷基、環烯基、伸環烯基、環炔基及伸環炔基部分。術語“烷基”或“伸烷基”指的是一飽和的、直鏈的或支鏈的碳氫化合物部分,例如甲基、伸甲基、乙基、伸乙基、丙基、伸丙基、丁基、伸丁基、戊基、伸戊基、己基、伸己基、庚基、伸庚基、辛基、伸辛基、壬基、伸壬基、癸基、伸癸基、十一基、伸十一基、十二基、伸十二基、十三基、伸十三基、十四基、伸十四基、十五
基、伸十五基、十六基、伸十六基、十七基、伸十七基、十八基、伸十八基、十九基、伸十九基、二十基、伸二十基、三十基、伸三十基。術語“烯基”指的是包含至少一雙鍵的一直鏈的或支鏈的碳氫化合物部分,諸如-CH=CH-CH3及-CH=CH-CH2-。術語“炔基”指的是包含至少一個三鍵的一直鏈的或支鏈的碳氫化合物部分,諸如-C≡C-CH3及-C≡C-CH2-。術語“環烷基”指的是一飽和的、環的碳氫化合物部分,諸如環己基以及伸環己基。
術語“雜脂族”在此指的是一包含至少一雜原子(例如N、O、P、B、S、Si、Sb、Al、Sn、As、Se及Ge)的脂族部分。術語“雜環烷基”指的是一包含至少一雜原子的環烷基部分。術語“氧脂族”在此指的是一-O-脂族。氧脂族的例子包括甲氧基、乙氧基、n-丙氧基、異丙氧基、n-丁氧基、異丁氧基、二級丁氧基以及三級丁氧基。
術語“芳基”在此指的是一C6單環的、C10雙環的、C14三環的、C20四環的或者C24五環的芳香環系統。芳基的例子包括但不限於苯基、伸苯基、萘基、伸萘基、蒽基、伸蒽基、芘基及伸芘基。術語“雜芳基”在此指的是一具有一或多個雜原子(諸如O、N、S或Se)之芳香的5-8員單環、8-12員雙環、11-14員三環以及15-20員四環系統。一雜芳基團的例子包括但不限於呋喃基、伸呋喃基、茀基、伸茀基、吡咯基、伸吡咯基、噻吩基、伸噻吩基、唑基、伸唑基、咪唑基、伸咪唑基、苯并咪唑基、伸苯并咪唑基、噻唑基、伸噻唑基、吡啶基、伸吡啶基、嘧啶基、伸
嘧啶基、喹唑啉基、伸喹唑啉基、喹啉基、伸喹啉基、異喹啉基、伸異喹啉基、吲哚基、伸吲哚基。
除非有特別指出,在此提及的脂族、雜脂族、氧脂族、烷基、伸烷基、烯基、炔基、環烷基、雜環烷基、芳基以及雜芳基同時包括經取代的以及未經取代的部分。在環烷基、雜環烷基、芳基以及雜芳基上可能的取代基包括但不限於C1-C10烷基、C2-C10烯基、C2-C10炔基、C3-C20環烷基、C3-C20環烯基、C3-C20雜環烷基、C3-C20雜環烯基、C1-C10烷氧基、芳基、芳氧基、雜芳基、雜芳氧基、胺基、C1-C10烷基胺基、C2-C20二烷基胺基、芳基胺基、二芳基胺基、C1-C10烷基磺胺基,芳基磺胺基、C1-C10烷基亞胺基、芳基亞胺基、C1-C10烷基磺亞胺基、芳基磺亞胺基、羥基、鹵基、硫基、C1-C10烷基硫基、芳基硫基、C1-C10烷基磺醯基、芳基磺醯基、醯基胺基、胺基醯基、胺基硫基醯基、醯胺基、甲脒基、胍、脲基、硫脲基、氰基、硝基、亞硝基、疊氮基、醯基、硫基醯基、醯氧基、羧基以及羧酸酯。相反地,在脂族、雜脂族、氧脂族、烷基、伸烷基、烯基以及炔基上可能的取代基包括所有上述的取代基,除了C1-C10烷基。環烷基、雜環烷基、芳基以及雜芳基亦可相互稠合。
上述該等生物相容性聚合物包括該等聚合物本身,以及其鹽類和溶劑合物,如果適用。例如,一鹽類可以在一聚合物上的一陰離子及一帶正電荷基團(例如胺基)之間形成。合適的陰離子包括氯化物、溴化物、碘化物、
硫酸鹽、硝酸鹽、磷酸鹽、檸檬酸鹽、甲磺酸鹽、三氟醋酸鹽、醋酸鹽、蘋果酸鹽、甲苯磺酸鹽、酒石酸鹽、反丁烯二酸鹽、麩胺酸鹽、葡萄糖醛酸鹽、乳酸鹽、戊二酸鹽以及順丁烯二酸鹽。同樣地,一鹽類可以在一聚合物上的一陽離子及一帶負電荷基團(例如羧酸鹽)之間形成。合適的陽離子包括鈉離子、鉀離子、鎂離子、鈣離子,以及例如四甲銨離子之銨離子。該等聚合物亦包括那些包含四級氮原子的鹽類。一溶劑合物指的是一在一聚合物以及一藥學上可接受之溶劑之間形成的錯合物。一藥學上可接受之溶劑的例子包括水、乙醇、異丙醇、乙酸乙酯、醋酸以及乙醇胺。
下列流程圖(I)顯示一製備一例示性之包含矽烷之生物相容性聚合物的方法。
如流程圖(I)所示,在一鹼(例如二甲基胺基吡啶)
的存在下,烷氧基-聚乙二醇(分子量,2000)與琥珀酸酐反應以形成mPEG-COOH,接著使用亞硫醯氯將其轉變成mPEG-COCl。混合mPEG-COCl及(3-胺基丙基)-三乙氧基矽烷,產生mPEG-矽烷。
一熟習此藝者可使用已知方法更改在用來製備生物相容性聚合物之上述流程圖(I)中所示的方法。參見R.Larock,綜合有機轉化(VCH出版社1989);T.W.Greene及P.G.M.Wuts,有機合成中的保護基(第三版,約翰威立1999);L.Fieser及M.Fieser,費瑟及費瑟試劑用於有機合成(約翰威立1994);以及L.Paquette,編輯,用於有機合成之試劑的百科全書(約翰威立1995)及其後續版本。可用於合成該等生物相容性聚合物之具體的路徑亦可參考:(a)Rist等人,Molecules,2005,10,1169-1178,(b)Koheler等人,JACS,2004,126,7206-7211;以及(c)Zhang等人,Biom.Mircod.,2004,6:1 33-40。
上述該等生物相容性聚合物各自可經由共價鍵被塗覆在一超順磁核心上(例如氧化鐵奈米粒子)以形成一使用於一對比劑中的生物相容性磁性奈米粒子。該超順磁核心具有8至25nm的顆粒大小(例如12至25nm及15至20nm)以及120至250(mM.S)-1的r2弛豫率(例如150至230(mM.S)-1及170至210(mM.S)-1)。一超順磁核心的製備係已知的。參見Laurent等人,Chem.Rev.,2008,108,2064-2110。
下列描述的係一種用以製備超順磁奈米粒子的典型方法。首先,氧化鐵奈米粒子係懸浮於甲苯中,接著
在室溫下將其與mPEG-silane攪拌24小時。所得之生物相容性磁性奈米粒子係親水性的且可以被萃取至水相且接續地藉由超過濾作用被純化。如此製備之該等生物相容性磁性奈米粒子各自具有120至250(mM.S)-1的r2弛豫率(例如150至230(mM.S)-1及170至210(mM.S)-1)。
上述生物相容性磁性奈米粒子可被調配至一對比劑中,其可被口服投藥。對比劑的例子包括乳劑、水性懸浮液、分散液及溶液。如有需要,可添加某些甜味劑、調味劑或呈色劑。
該等生物相容性磁性奈米粒子可被投予至病患以標記免疫細胞(體內),如下列例子所述。不同於經奈米粒子預標記之免疫細胞(體內)的投藥,不具有免疫細胞之生物相容性磁性奈米粒子的投藥明顯地具有較少操作步驟以及較少監管規定的優點。
不受任何理論拘束,該等生物相容性磁性奈米粒子一旦投予至一移植病人,會被免疫細胞(例如巨噬細胞)所攝入,當免疫反應發生時該等免疫細胞會聚集在器官。換言之,如此標記之該等免疫細胞可輕易地以T1、T2、T2*或擴散加權MRI來監測,其係如T1加權MRI影像中的高信號區所顯示者,或者係如T2、T2*或擴散加權MRI影像中的高信號區所顯示者。進行T1、T2*或擴散加權MRI的方法係與於Mol.Imaging Biol.,2011,13(5),825-839中報導的進行T2加權MRI的方法相似
上述該等生物相容性磁性奈米粒子,當投予至病
患時,對於用於追蹤免疫細胞以監測免疫反應之MRI展現出無法預期的高敏感度。
下列具體的例子僅為說明性的,且不管以任何方式皆非限定於剩下的揭示內容。在沒有進一步的闡述下,相信一熟習此藝者可基於在此的描述而使用本發明之實施例至最大程度。所有引用的文獻全體在此作為參考資料。
此等實施態樣的兩種生物相容性氧化鐵奈米粒子係依據下列所描述之方法而製備。
在25℃下以300rpm攪拌在一三頸燒瓶中的FeCl2.4H2O(11.6g;0.058mole)、FeCl3.6H2O(11.6g;0.096mole)及水(400mL)的混合物。以47μl/sec的速率添加一氫氧化鈉溶液(2.5N;170mL)至該燒瓶,獲得11至12的pH值。接續地,添加油酸(20mL)並攪拌30分鐘,接著添加一6N HCl溶液以調整該pH值至1。藉由過濾,收集自該混合物沉澱出的氧化鐵核心,且以水清洗4至5分鐘以移除過多的油酸。然後該氧化鐵核心在真空下乾燥以用於如下所描述者與一生物相容性聚合物耦合。
該生物相容性聚合物mPEG-矽烷-750係依據下列所描述之方法而製備。
允許一300g(0.4moles)的甲氧基-PEG(mPEG,分
子量750)、琥珀酸酐(48g;0.48moles)以及4-二甲基胺基-吡啶(DMAP;19.5g;0.159moles)的混合物在一1000-mL圓底燒瓶中在真空下(20Torrs)2小時。添加600mL的甲苯至該混合物,然後在30℃攪拌一天以形成mPEG-COOH。
接續地,以1mL/min的速率添加36mL(0.48moles)的亞硫醯氯並攪拌該混合物2至3個小時。此後,以1mL/min的速率添加333.8mL(2.4moles)的三乙胺以獲得大約6~7的pH。在冷卻至室溫後,該包含mPEG-COCl的混合物與94.5mL(0.4moles)的3-胺基丙基三乙氧基矽烷在室溫下反應至少8小時以產生mPEG-矽烷-750。
在添加9L的異丙基乙醚至該反應混合物之後,mPEG-矽烷-750沉澱。藉由過濾收集該固體產物,於500mL的甲苯中再溶解,並以5000rpm離心5分鐘以收集一上清液,其具有9L的異丙基乙醚添加至其中。棕色油性液體自該異丙基乙醚分離出,且在真空下乾燥以獲得生物相容性聚合物mPEG-silane-750。
生物相容性聚合物mPEG-silane-2000係依據上述相同的方法所製備,使用一800g(0.4moles)的甲氧基-PEG(mPEG,分子量2000)、琥珀酸酐(48g;0.48moles)以及4-二甲基胺基-吡啶(DMAP;19.5g;0.159moles)的混合物。
如此獲得之生物相容性聚合物mPEG-矽烷-750
以及mPEG-矽烷-2000(250g)的各個懸浮於一1至1.2L之包含如上述所製備之10g的該氧化鐵核心的甲苯溶液中。攪拌該懸浮液24小時,接著添加水(1.5L)以萃取。該經萃取之水性溶液以一超過濾裝置過濾,以水清洗,且然後濃縮至100mL,以獲得一生物相容性氧化鐵奈米粒子懸浮液。不管是否從mPEG-矽烷-750或mPEG-矽烷-2000製備,該氧化鐵奈米粒子係指定為iTrast。
如此獲得之生物相容性磁性奈米粒子iTrast的穿透式電子顯微鏡(TEM)影像係使用一JEOL JEM-2100F FieldEmission穿透式電子顯微鏡而取得。該等影像顯示iTrast具有一尺寸為10至12nm的氧化鐵核心。
橫向弛豫率(r2)以及縱向(r1)弛豫率係依據在美國專利公開號2012/0329129以及Mol Imaging Biol,Chen等人,2011,13,825-839中所描述之方法而測定。iTrast被測定具有205.3±2.3(mM.s)-1的r2以及18.6±0.5(mM.s)-1的r1。
有關追蹤在經移植器官中巨噬細胞的研究係依據下述方法進行。
使用異位工作型心臟模型(heterotopic working-heart model)之操作方法係描述於PNAS,2006,103(6):1852-1857中。近交系Brown Norway(BN;RT1n)大鼠
以及Dark Agouti(DA;RT1a)大鼠係自Harlan Laboratories Inc.所獲得(印第安納波利斯,印第安納州)。在不同品系之大鼠間(DA→BN)的同種異體移植會導致排斥,而在同品系之大鼠間(DA→DA or BN→BN)的同系移植不會導致排斥。根據在J.Heart Lung Transplant.,1998,17,754-760以及J.Heart Transplant.,1990,9,587-593中所敘述之準則在組織病理上決定心臟移植物的排斥等級。
在心臟移植後的第1天,每隻大鼠被靜脈注射3mg/kg的iTrast奈米粒子。觀察到巨噬細胞不均勻地分布在經急性排斥的大鼠心臟中。在手術後的第6天進行體內MRI,其意外地顯示經iTrast奈米粒子標記之巨噬細胞聚集在該同種異體移植心臟。
組織病理學確認一心外膜至心內膜進展模式。更具體地,當排斥隨著時間發展,巨噬細胞浸潤擴散至心肌的內部。
對在體內MRI之後所獲取之心臟移植物的組織進行H&E及Perl’s鐵染色法。該等移植物之組織病理的分析及免疫組織化學的分析顯示由Perl’s鐵染色法所描述之包含鐵的細胞與巨噬細胞譜系ED1+細胞有關聯。如同H&E染色法所顯示,該等包含鐵的細胞在具有較侵略性免疫細胞浸潤以及經中斷心肌完整性的區域與ED1+巨噬細胞有關聯。
給予主要組織相容性複合體(MHC)-錯配之豬隻
高劑量的他克莫司(tacrolimus)達12天。然後腎臟同種異體移植物(n=5)被移植至這些豬隻中。果如所料,在第14天,所有經分離之腎臟同種異體移植物被排斥,正如血清肌酸酐濃度相較於第0天係加倍的。
在腎臟移植後的第1天,每隻豬被靜脈注射3mg/kg或6mg/kg的iTrast粒子。在第3、6、9、12及16天,經由體內MRI意外地檢測到在被排斥的腎臟中被具有奈子尺寸之iTrast標記的聚集的巨噬細胞。
的確,也發現相較於血清肌酸酐,3mg/kg及6mg/kg的iTrast分別在第9天及第6天增加在皮質附近的低信號區,顯示所有經分離之腎臟的免疫排斥。
根據下列所顯示之方法研究iTrast用以檢測一淋巴結的形態改變。
在前爪誘發一使用B16-F10細胞之小鼠黑色素瘤轉移模型。在腫瘤發展期間投予iTrast(2、4及6mg Fe/kg)至該等小鼠,且在該iTrast投藥之後經由MRI T2、T2*及擴散加權造影(例如T2WI、T2*WI、DWI)重複地評估該等動物。
發現該等腫瘤階段顯著地影響該等標記結果。當靜脈給予劑量為4mg Fe/kg的iTrast時,在具有一早期腫瘤之動物的前哨淋巴結以及接著在淋巴結意外地觀察到一短暫的標記。當腫瘤達到後期,在這些淋巴結中的短暫信號的程度減弱。組織學確認該早期腫瘤為非轉移性,而該晚
期腫瘤為轉移性的。
在此說明書中所揭示的所有特徵可用任何組合方式予以結合。在此說明書中所揭示的各個特徵可被且具有相同、相等或相似目的的替代特徵所取代。因此,除非有清楚表明,每個被揭示之特徵僅為同屬系列相等或相似特徵之例子。
從上述說明,一熟習此藝者可輕易地確定該等經說明之實施態樣的必要特徵,且在不背離其精神及範圍下,可做多個改變及修改以適合多個用途及狀況。因此,其它實施態樣也在申請專利範圍內。對熟習此藝者來說,對經揭示的實施態樣做多個修改及變化是顯而易見的。本說明書及實施例是意圖被僅是例示性的考量,而揭示內容的真正範圍係由下列申請專利範圍及均等範圍所表明的。
Claims (12)
- 一種包含生物相容性磁性奈米粒子之水性懸浮液於製造一對比劑之用途,以供直接投予至具有與一器官相關之一疾病的一個體之血流中,該器官係腎臟或淋巴結,以取得該器官的磁振影像,其中該水性懸浮液不具有尺寸大於1000nm的粒子;且該等生物相容性磁性奈米粒子各自(1)包含一被一或多個生物相容性聚合物覆蓋之超順磁核心;以及(2)具有120至250(mM‧S)-1的橫向磁性弛豫速率(transverse magnetic relaxivity rate),其中該超順磁核心包含氧化鐵、氧化鈷、氧化鎳、或其組合,以及該一或多個生物相容性聚合物具有下列通式:
- 如請求項1之用途,其中該磁振影像係一T2或T2*加權磁振影像。
- 如請求項1之用途,其中該疾病係癌症或者一經移植之器官的排斥。
- 如請求項3之用途,其中該經移植之器官係腎臟。
- 如請求項3之用途,其中該癌症係淋巴瘤。
- 如請求項1之用途,其中該等生物相容性磁性奈米粒子各自具有10-1000nm的顆粒大小。
- 如請求項6之用途,其中該等生物相容性磁性奈米粒子各自具有15-200nm的顆粒大小。
- 如請求項1之用途,其中該超順磁核心係一超順磁氧化鐵奈米粒子;以及n係10至200。
- 如請求項8之用途,其中該等生物相容性磁性奈米粒子各自具有1-1000nm的顆粒大小。
- 如請求項9之用途,其中該等生物相容性磁性奈米粒子各自具有15-200nm的顆粒大小。
- 如請求項1之用途,其中該等生物相容性磁性奈米粒子各自具有1-1000nm的顆粒大小。
- 如請求項11之用途,其中該等生物相容性磁性奈米粒子各自具有15-200nm的顆粒大小。
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